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356 低温实验(求订阅)

356 低温实验(求订阅) (第1/2页)

许秋近期的目标体系是J2:IDIC-4F,而这两种材料还没有合成出来,他就有些无所事事。
  
  当然,划水是不可能划水的,许秋翻了之前搜集到的偏理论研究方面的文献,整理了激子结合能以及激子扩散距离的测试方法。
  
  他打算先在ITIC上试试水,到时候可以直接同步应用到IDIC-4F体系中。
  
  这两个实验还是比较重要的,是他用来冲刺《自然·能源》或《焦耳》的底牌之一。
  
  如果最终的结果和他料想的一样,把这两个结论拆开来,估计发一篇NC、一篇AM应该都没太大的问题。
  
  但现在需要把两个重要结论,外加效率13.5%的J2:IDIC-4F体系合起来冲刺一篇《自然·能源》或《焦耳》。
  
  没办法,想要突破AM这个级别的界限,达到《自然》大子刊级别,就是这般困难,尤其是对不算太热门的有机光伏领域来说。
  
  两项测试中,激子结合能不需要额外购买材料,许秋便先从这项测试入手。
  
  激子结合能,指的是有机光电材料在产生激子(被束缚的电子/空穴对)后,激子拆分成为自由电子/空穴所需要的能量,类似于化学反应活化能的概念。
  
  对于传统富勒烯体系来说,给体材料是主要的光吸收材料,受体材料的激子结合能没有意义,因为不吸光嘛,聚合物给体材料,比如P3HT、PCE10等材料的激子结合能通常在0.3电子伏特左右。
  
  这也是为什么传统的有机光伏体系中,给体材料和富勒烯受体材料之间要有至少0.3电子伏特的LUMO能级差,就是用来克服给体材料本身的激子结合能,确保产生的激子能够被拆分,这也使得传统有机光伏体系的开路电压天生就少了0.3伏特左右。
  
  这个0.3电子伏特左右的LUMO能级差,也被称为“驱动力”。
  
  对于ITIC等非富勒烯体系来说,情况就有所不同,受体材料因为吸光,激子结合能就有意义了。
  
  而且,之前学妹的H43:IT-4F体系,发现了当H43和IT-4F之间的HOMO能级差在0.1电子伏特时,也能表现出高效、快速的电荷拆分、输运。
  
  这表明ITIC非富勒烯体系,在传输电荷的过程中,似乎并不需要“驱动力”。
  
  因此许秋猜测,造成这样现象最可能的原因,就是ITIC非富勒烯体系的激子结合能比较低,在0.3电子伏特以内。
  
  毕竟激子拆分是个热力学过程,激子结合能(Eb)的表达公式,类似于活化能的阿伦尼乌斯公式,k=Aexp(-Eb/RT)。
  
  在正常的太阳光照度,常温条件下:
  
  假设激子结合能为0.3电子伏特时,产生的激子大约90%为被束缚的状态,10%为自由的电子/空穴,这种情况下,需要额外的能级差作为“驱动力”;
  
  而假设激子结合能为0.1电子伏特时,产生的激子大约10%为被束缚的状态,90%为自由的电子/空穴,这种情况下,大部分激子已经变成了自由的电子/空穴,自然也就不需要能级差作为“驱动力”了。
  
  如果ITIC非富勒烯受体体系的情况是后者的话,也就可以从理论上解释,为什么不需要很大的HOMO能级差,也能进行高效、快速的电荷拆分、输运。
  
  当然,在测试结果没有出来之前,这些都是猜测,具体结果是怎么样,还是要通过实验来证明的。
  
  实践是检验真理的唯一标准嘛。
  
  在文献中,低温荧光发光(PL)测试是最常见测试激子结合能的方法。
  
  具体的操作,就是测试同一样品在不同温度下的PL强度,然后通过拟合,得到激子结合能。
  
  理论上,高温PL也可以达到类似的效果。
  
  不过,相对于高温测试来说,低温测试更加准确一些,因为温度越低PL强度就越高,实验误差也就越小。
  
  至于获得低温的方法,自然是用液氮冷却了。
  
  大多数的低温实验,采用的都是液氮。
  
  因为液氮太好获得了,直接可以从空气中制取,成本很低,基本就是掏点电费。
  
  在常压下,液氮的温度为零下196摄氏度,也就是77开尔文。
  
  热力学拟合计算中,用到的温度单位都是开尔文(K),其中,绝对零度为0K,0摄氏度约为273K。
  
  在实际操作的时候,想用液氮把温度降到77K还是比较难的,不过,达到100K,或者150K还是相对比较容易的,之后只要缓慢升温到200K、250K左右即可。
  
  确定实验方法后,许秋用八磅瓶在邯丹校区这边打了一壶液氮,带回了216实验室。
  
  随后,他取出了魏兴思之前从漂亮国带回来的低温测试装置。
  
  这个低温测试装置的结构并不复杂,下方是一个密闭的样品舱,上方是液氮舱。
  
  样品舱的四周是四片石英玻璃窗口,内部有一个带加热器、热电偶的样品台。
  
  加热器用来提升样品台的温度,热电偶用来实时检测样品台的温度。
  
  

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